實驗名稱：靜電懸浮過程的優(yōu)化設計與動態(tài)控制

實驗目的：

通過多種技術手段，對現(xiàn)有靜電懸浮系統(tǒng)進行了多方面的優(yōu)化。從懸浮電極的形貌和尺寸以及定位光路考慮，實現(xiàn)了直徑10mm固態(tài)金屬材料的穩(wěn)定懸浮。通過改進控制算法，提高了熔融樣品懸浮過程中的形態(tài)和位置穩(wěn)定性。增加了觸發(fā)形核和液淬的功能，豐富了材料凝固過程研究的手段。并且把激光加熱和測溫相耦合，實現(xiàn)了懸浮樣品溫度的精確控制。

測試設備：高壓放大器、位置敏感探測器、電腦等。

圖1：靜電懸浮裝置示意圖

實驗過程：

靜電懸浮中，對于直徑3mm左右的樣品，為了增加懸浮的穩(wěn)定性，垂直方向一般選用半球形上電極和凹面下電極，且下電極直徑大于上電極，上下電極之間的間距一般設定為10mm。如此，對于密度7g·cm-3直徑3mm左右的樣品，實驗發(fā)現(xiàn)其起跳電壓約為25kV。如果懸浮樣品的直徑增大至10mm，上下電極之間的間距需拉伸至15mm以上，那么起跳電壓將在45kV以上。另外，對于同一樣品，實驗發(fā)現(xiàn)上大下小型的垂直電極組要比上小下大型的電極組的起跳電壓小，因此為了盡可能提高系統(tǒng)的懸浮能力，需采用上大下小電極組合。而且，對于上大下小型電極組，電荷在樣品頂端的分布更彌散，如此也有效避免了因電荷太集中而導致的樣品與上電極之間的放電。

圖2：靜電懸浮配電方式的改進

本文采用了上下電極同時配電的方式，如圖2所示，并進行了實驗，發(fā)現(xiàn)給下電極接正電后，在成功懸浮樣品的同時可以減小上電極的電壓。這相當于把兩個高壓放大器串聯(lián)起來，同時給上下電極之間提供電壓。圖3為實驗測定的懸浮同一樣品上電極起跳電壓和懸浮電壓隨加載在下電極上的電壓的變化。當下電極電壓從0增大到5kV時，上電極起跳電壓從9.5kV降低到5.8kV，而懸浮電壓從8.2kV減小到3.3kV，因此在下電極上加載正電壓和在上電極上加載負電壓有相同的效果。另外，由于樣品起跳是一個比較隨機的過程，所以起跳電壓的線性度沒有懸浮電壓好。

圖3：上電極起跳電壓和懸浮電壓隨下電極電壓的變化：(a)起跳電壓；(b)懸浮電壓

實現(xiàn)大尺度樣品懸浮的另一個關鍵點在于定位光路的改進。目前所使用的位置敏感探測器(PSD)光敏面尺寸為11mm，定位平行激光光束直徑為10mm，這種組合對于實現(xiàn)直徑10mm樣品的懸浮是不可能的。懸浮10mm樣品所需定位激光光束直徑以及垂直方向上下電極之間間距都為15mm，因此為了使定位激光與位置敏感探測器相匹配，需通過透鏡對光束進行變徑。

圖4：靜電懸浮系統(tǒng)定位激光光路的改進

實驗結果：

如圖4所示，當定位激光通過樣品后，在其光路上放置兩個凸透鏡，二者焦距比為3：2，即可把15mm的光束轉變?yōu)?0mm的光束，相對應樣品在位置敏感探測器(PSD)光敏面上的投影直徑也縮小了1.5倍。圖5為穩(wěn)定懸浮的10mmTi球和Fe球，其中Ti球的質量為2.36g，F(xiàn)e球質量為4.12g。

圖5：直徑10mm樣品的懸?。?a)Ti；(b)Fe

實驗中對靜電懸浮過程進行優(yōu)化設計，改變位置定位光路和配電方式，顯著提高了靜電懸浮能力，首次成功實現(xiàn)了直徑10mm大尺寸金屬材料的穩(wěn)定懸浮。

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審核編輯 黃宇